[논문]판상제품의 세라믹 사출 시 공정변수 영향 분석

김진호; 홍석무; 황지훈; 이종찬; 김낙수

doi:10.5762/kais.2014.15.5.2587

판상제품의 세라믹 사출 시 공정변수 영향 분석
Analysis of the Effect on the Process Parameters for the Thin Ceramic Plate in the Ceramic Injection Molding 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.5, 2014년, pp.2587 - 2593

김진호 (삼성전자 첨단 기술 연수소) , 홍석무 (삼성전자 글로벌 기술센터) , 황지훈 (삼성전자 글로벌 기술센터) , 이종찬 (금오공과대학교 기계공학과) , 김낙수 (서강대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

세라믹 사출공정(CIM)은 산업 분야 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있는 공정 중 하나로, 점차 의료용 전자기기의 부품 등으로 확대 적용되고 있다. 본 연구에서는 FEM 해석을 통해 CIM의 공정변수가 제품의 품질에 미치는 영향을 분석했다. 단순평판 형상의 해석결과를 기초로 구멍이 있는 형상, 모서리부가 둥근 형상 및 측벽 구조가 있는 형상 등과 비교 분석했다. 구멍이 있는 형상의 경우, 구멍 주변에 밀도분포가 고르지 못하며 용접선(weld-line)과 같은 결함이 발생할 수 있음을 예측할 수 있었다. 반면 제품의 모서리부 반경이 크면 성형성 및 유동성이 좋아지는 것을 확인했다. 따라서 CIM 공정변수 뿐만 아니라 제품의 형상변수도 고려해야 한다. 해석결과 온도, 초기분율, 속도 등의 공정변수는 제품의 품질 향상을 위한 중요한 설계 변수가 될 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ceramic Injection Molding (CIM) is one of wide used processes in industry field and the applications are gradually being expanded to parts of medical and electric devices. In this study, the CIM process were analyzed with FEM and process parameters were studied and analyzed the effect on product quality. The shape of simple flat plate was compared to the shapes with the hole, with the round corner portion or with the side wall portion. If there are holes then the hole around the uneven density distribution and the defects such as weld lines could be occurred. The Large radius of the corners of the product give good formability and fluidity. Not only the shape parameters of product but also the process parameters during CIM are studied. The simulation results showed that the process parameters of temperature, initial fractions and velocity are important design parameters to improve the quality of products.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 세라믹 사출 시 제품성형 및 결함에 미치는 주요 인자를 파악하기 위해, CIM 해석 프로그램을 활용하여 형상과 공정변수에 대한 영향 도를 분석하였다.
Lee 등은 유한요소해석으로 CIM공정을 모델링하여 사출 시 압력 구배에 의해 부분적으로 상대밀도 차이가 발생할 수 있음을 보였다[5]. 본 연구에서는 실제 세라믹 사출 금형을 제작하고, 세라믹 사출 공정에서 중요한 인자로 알려진 사출 온도, 사출 속도, 초기 분율, 금형마찰 등에 대한 영향을 파악하였다. 또한 3차원 형상을 고민할 때 필요한 형상 인자 두께, 홀, 모서리 형상, 측벽의 유무 등 다양한 제품의 형상변수를 설정하고 Hwang[4]과 Kim[6] 등이 제안한 유동응력 모델을 활용하여 세라믹 사출 해석을 진행하였다.

제안 방법

(3) 제품의 형상에 따라 품질이 좌우 되는데, 단순한 평판, 구멍을 가진 형상, 둥근 코너 부 또는 측벽부 형상에 대한 해석을 수행하고 결과를 비교 평가하였다. 구멍이 있을 경우, 구멍 주위 밀도분포가 고르지 못하고, weld line 등의 결함이 발생할 수 있으며 모서리 부분의 반경이 커질수록 성형성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
적용한 서브루틴 검증을 위해 단순 직사각 평판 형상의 세라믹 사출해석을 수행했다. Fig. 2 는 사출해석을 위한 가로 60mm, 세로 20mm 의 형상 모델링이며, 금형은 소결 후 수축되는 것을 감안하여 최종제품의 두께 1.0t, 0.8t, 0.5t가 되도록 설계했다. 금형온도는 50℃로 유지하고 초기 소재의 온도는 140℃로 고정했으며 사출압력은 280MPa로 적용했다.
공정변수에 따른 영향 도를 분석하기 위해 Fig. 8같이 체적분율, 사출속도, 게이트 위치, 게이트 폭 및 금형 온도 조건에 따른 해석을 수행했다. 체적 분율은 초기 분율이 높을수록 좋은 결과를 보이므로 사출 시 가능한 높은 체적 분율을 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
금형온도는 50℃로 유지하고 초기 소재의 온도는 140℃로 고정했으며 사출압력은 280MPa로 적용했다. 위와 같은 조건은 사전에 가장 좋은 품질을 갖도록 다양한 사출 해석 및 실험을 통해 결정하였다. 초기 체적 분율은 실제 사용되는 혼합 재와 동일하게 0.
적용한 서브루틴 검증을 위해 단순 직사각 평판 형상의 세라믹 사출해석을 수행했다. Fig.
적용한 업데이트 알고리즘 서브루틴의 검증을 위해 단순 직사각 평판형상의 세라믹 사출공정 시 각 단계별로 금형을 총 17회 열어 형상을 검토하였다. Fig.
제품 형상이 사출 시 발생하는 체적분율 분포에 미치는 영향을 파악하기 위해 형상에 대한 영향 도를 분석했다. 해석에 사용된 모델 형상은 Fig.
또한 3차원 형상을 고민할 때 필요한 형상 인자 두께, 홀, 모서리 형상, 측벽의 유무 등 다양한 제품의 형상변수를 설정하고 Hwang[4]과 Kim[6] 등이 제안한 유동응력 모델을 활용하여 세라믹 사출 해석을 진행하였다. 평판 사출의 경우 각 공정변수를 독립적으로 변수 연구하여 제품품질에 영향을 미치는 영향에 따라 기여도를 평가했고, 이를 기반으로 단순평판, 구멍을 가진 형상, 둥근 모서리 부 또는 측벽부 형상 등 제품외관 설계 시 결함이 발생하지 않는 최적 공정변수의 범위에 대해 연구했다.

대상 데이터

제품 형상이 사출 시 발생하는 체적분율 분포에 미치는 영향을 파악하기 위해 형상에 대한 영향 도를 분석했다. 해석에 사용된 모델 형상은 Fig. 6과 같으며, 기본 평편한 소재를 기준으로 단순형상에 내부 관통 구멍, 둥근 코너, 측벽이 있는 모델로 구성했다. 일반적으로 단순 판상형상에서는 전체적으로 체적분율 분포가 고르지만, 게이트 입구에서 다른 부분에 비해 상대적으로 불균일한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.

이론/모형

0, 그리고 20℃로 입력했다. 강 소성 유동응력 모델과 체적분율 업데이트 알고리듬을 반영하기 위해, 상용 유한요소해석 프로그램인 DEFORM3D에 서브루틴을 적용했다[7].
본 연구에서는 실제 세라믹 사출 금형을 제작하고, 세라믹 사출 공정에서 중요한 인자로 알려진 사출 온도, 사출 속도, 초기 분율, 금형마찰 등에 대한 영향을 파악하였다. 또한 3차원 형상을 고민할 때 필요한 형상 인자 두께, 홀, 모서리 형상, 측벽의 유무 등 다양한 제품의 형상변수를 설정하고 Hwang[4]과 Kim[6] 등이 제안한 유동응력 모델을 활용하여 세라믹 사출 해석을 진행하였다. 평판 사출의 경우 각 공정변수를 독립적으로 변수 연구하여 제품품질에 영향을 미치는 영향에 따라 기여도를 평가했고, 이를 기반으로 단순평판, 구멍을 가진 형상, 둥근 모서리 부 또는 측벽부 형상 등 제품외관 설계 시 결함이 발생하지 않는 최적 공정변수의 범위에 대해 연구했다.

성능/효과

(1) CIM해석 프로그램은 실제 실험과 비교 했을 때 사출 중 형상에 있어서 양호한 일치를 보이고 있다. 특히, 주름 등의 거동 확인이 가능했다.
(2) 다양한 사출 공정 조건에 따라 해석을 수행했으며 이를 비교 분석한 결과, 온도, 초기 체적분율, 마찰 등이 중요한 공정 변수로 파악되었다. 또한 게이트의 위치, 크기 등의 결정에 따라 체적분율 분포에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4(b)는 일반 플라스틱 사출 해석 시 사용되는 상용사출해석 프로그램 Mold flow의 결과인데, 본 연구의 해석기법으로는 실제 사출 시 주름이 발생하는 현상을 동일하게 모사할 수 있는 반면 사출해석 프로그램으로 주름이나 물리적 겹침 등을 표현할 수 없음을 확인할 수 있다. 일반적으로 CIM 공정에서 주름, 제팅(jetting) 등의 문제로 인해 결함 발생할 수 있는데, Fig.
게이트의 위치는 대칭이 되도록 중앙에 위치하는 것이 좋지만, 제팅 현상을 방지하기 위해 정중앙을 피해 최적 게이트 위치를 결정해야 한다. 게이트의 폭은 넓을수록 체적분율 분포가 고르게 나타났으며, 금형 온도는 기존 온도 (50℃)보다 높은 경우(캐비티 100℃, 게이트 200℃) 더 좋은 결과가 나타난다.
(3) 제품의 형상에 따라 품질이 좌우 되는데, 단순한 평판, 구멍을 가진 형상, 둥근 코너 부 또는 측벽부 형상에 대한 해석을 수행하고 결과를 비교 평가하였다. 구멍이 있을 경우, 구멍 주위 밀도분포가 고르지 못하고, weld line 등의 결함이 발생할 수 있으며 모서리 부분의 반경이 커질수록 성형성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
(2) 다양한 사출 공정 조건에 따라 해석을 수행했으며 이를 비교 분석한 결과, 온도, 초기 체적분율, 마찰 등이 중요한 공정 변수로 파악되었다. 또한 게이트의 위치, 크기 등의 결정에 따라 체적분율 분포에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
8같이 체적분율, 사출속도, 게이트 위치, 게이트 폭 및 금형 온도 조건에 따른 해석을 수행했다. 체적 분율은 초기 분율이 높을수록 좋은 결과를 보이므로 사출 시 가능한 높은 체적 분율을 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다. 하지만 체적 분율이 커지면 유동성 저하의 원인이 되기 때문에 체적 분율과 유동성의 상관관계를 파악하여 적절한 초기 체적 분율을 결정하는 것이 좋을 것이다.

후속연구

추후 Fig. 6과 Fig. 8에서 연구한 변수들을 반영해 실제 금형을 제작하여 해석기법을 검증한다면, CIM 제품의 구조나 공정설계에 보다 효율적으로 접근하는데 기여할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분말사출의 장점은 무엇인가?	프레스, 주조, 단조, 기계가공 등 일반적인 가공공법으로 원하는 형상 및 품질 또는 균질성을 얻지 못할 때 주로 사용되며, 분말사출 후 소결을 통해 강도가 높아지게 된다[1]. 분말사출은 복잡한 형상의 정형가공이 가능하고 소결 후 제품 강도가 보장되기 때문에 다양한 제품과 형상에 응용되고 있는 추세이다. 그 중에서도 세라믹 분말을 사용하는 세라믹 사출공정(Ceramic Injection Molding)으로 성형된 제품은 경량구조 재료이면서 내열성과 내마모성이 우수하다.
	CIM 공정에서 고려해야하는 공정변수에는 어떤 것이 있는가?	특히, 심미적인 재질감으로 인해 인공관절 및 인공치아 등의 의료용 재료에서부터 압전재, 광학재료 및 전자제품의 케이스까지 여러 분야에 점차 확장 적용되고 있다. 하지만 CIM은 유동성을 고려한 금형의 설계, 사출공정 조건, 사출 후 탈지, 소결 시 발생하는 수축량 정밀예측 등 고려해야할 공정변수가 많기 때문에 개발과정부터 어려움이 많다. 특히 최종 제품의 치수를 정밀하게 제어하기 위해 금형 설계 시 수축량을 정확히 파악해야 하는데 분말의 종류, 성형밀도, 소결 온도에 따라 각기 다른 특성을 보이기 때문에 예측이 쉽지 않다[2].
	분말사출성형은 어떤 경우에 사용되는가?	분말사출성형(Powder Injection Molding)은 복잡한 형상과 높은 강도가 필요한 금속부품에 주로 사용되는 공정이다. 프레스, 주조, 단조, 기계가공 등 일반적인 가공공법으로 원하는 형상 및 품질 또는 균질성을 얻지 못할 때 주로 사용되며, 분말사출 후 소결을 통해 강도가 높아지게 된다[1]. 분말사출은 복잡한 형상의 정형가공이 가능하고 소결 후 제품 강도가 보장되기 때문에 다양한 제품과 형상에 응용되고 있는 추세이다.

참고문헌 (7)

German, R. M., "Powder Injection Molding",MPIF, Princeton, New Jersey, 1990
T. S. Kwak and W. Seo, "Simulation of ceramic powder injection molding process to clarify the change of sintering shrinkage depending on flow direction", J. of the Korean Ceramic Society, Vol. 46, No. 3, pp. 229-233, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.4191/KCERS.2009.46.3.229

원문보기 상세보기
T. S. Kwak, H. Y. Shin and J. I. Lim, "Ceramic injection molding of the watch case composed by zirconia powder", Proc. J. Mech. Sci. & Technol., pp. 288-291, 2005
J. Hwang, S. Choi, S. Hong and N. Kim, "Determination of the flow stress and thermal properties of ceramic powder feedstock in ceramic injection molding", J. Mech. Sci. & Technol., Vol. 27, No. 6, pp. 1815-1824, 2013 DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12206-013-0432-0

상세보기
M.K. Lee, H. Kim, S. Hong, S. Choi and N. Kim, "Simulation of ceramic powder injection molding based on the behavior of flow stress depended on the thermal viscosity flowage property and the volume fraction", Advanced Materials Research, Vol. 445, pp. 368-373, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.4028/scientific5/AMR.445.368
J. Y. Lee and N. Kim, "A Study on Material Characterization of Semi-solid Materials (II)-determination of Flow Stress for Semi-solid Materials Using Backward Extrusion Experiment with Model Material and Upper Bound Analysis", J. Kor. Soc. Tech. Plast., Vol. 8, No. 4, pp. 374-383, 1999,
DEFORM-2D User's Manual, Version 9.0, Scientific Forming Technologies Corporation, USA

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증